(57)【要約】【課題】  光学的な周期の異なる箇所を含む周期性構造物を複数有する光学素子およびその作製方法を提供すること。【解決手段】  基板１上に順に３種類の周期性構造物２，３，４が形成されている。基板１の真上に形成されているのは、粒径３４０ｎｍのシリカ粒子からなり、層数約２０層からなる周期性構造物２である。その上に粒径３２０ｎｍのシリカ粒子からなり、層数約２０層からなる周期性構造物３が形成されている。さらにその上に粒径３００ｎｍのシリカ粒子からなり、層数約２０層からなる周期性構造物４が形成されている。いずれの周期性構造物２〜４にも、内部にシリカ粒子間が光硬化型樹脂で充填された領域５（厚み２μm程度、微粒子１０層程度に相当）が存在する。このような素子は粒子径に対応した波長の光を光硬化型樹脂からなる共振器部で閉じ込める機能を果たす。【選択図】      図１
2005326596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状物質の周期構造、もしくはその反転構造によりフォトニックバンドギャップを形成するフォトニック結晶を用いた光学素子であって、
周期長の異なる周期構造体を基板に対して平行に複数有し、該周期構造体の各々はその内部に周期性が崩された領域を含むことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１記載の光学素子において、
前記周期性が崩された領域は、空隙あるいは周囲の周期構造とは異なる周期構造を有する領域であることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の光学素子を用いたことを特徴とする光導波路。
【請求項４】
請求項１または２記載の光学素子を用いたことを特徴とする光学レーザー素子。
【請求項５】
コロイド溶液を用いて、基板の表面に微粒子を周期的に配列させることにより周期性構造物を作製する工程（Ａ）
前記工程（Ａ）にて作製した周期性構造物の表面に、前記工程（Ａ）にて使用した微粒子とは材質もしくは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程（Ｂ）
以下、前記工程（Ａ）および（Ｂ）と同様に、新たに作製された周期性構造物の表面に、それまでに配列に使用した微粒子とは材質もしくは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程を１回以上繰り返す工程（Ｃ）
前記工程（Ａ）〜（Ｃ）において作製された各周期性構造物に対し、部分的に材料を充填および固定化し、周期性が崩された領域を形成する工程（Ｄ）
を有することを特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項６】
コロイド溶液を用いて、基板の表面に微粒子を周期的に配列させることにより周期性構造物を作製する工程（Ａ）
前記工程（Ａ）にて作製された周期性構造物の表面に、前記工程（Ａ）にて使用した微粒子とは材質もしくは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程（Ｂ）
以下、前記工程（Ａ）および（Ｂ）と同様に、新たに作製された周期性構造物の表面に、それまでに配列に使用した微粒子とは材質もしくは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程を１回以上繰り返す工程（Ｃ）
前記工程（Ａ）〜（Ｃ）において作製された各周期性構造物に対し、部分的に微粒子を除去し、周期性が崩された領域を形成する工程（Ｄ）
を有することを特徴とする光学素子の作製方法
【請求項７】
コロイド溶液を用いて、基板の表面に微粒子を周期的に配列させることにより周期性構造物を作製する工程（Ａ）
前記工程（Ａ）にて作製した周期性構造物の表面に、前記工程（Ａ）にて使用した微粒子とは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程（Ｂ）
以下、前記工程（Ａ）および（Ｂ）と同様に、新たに作製された周期性構造物の表面に、それまでに配列に使用した微粒子とは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程を１回以上繰り返す工程（Ｃ）
前記工程（Ａ）〜（Ｃ）で作製された周期性構造物の微粒子間に、配列に用いた微粒子とは異なる材質の材料を充填し、それを固化もしくは固定化する工程（Ｄ）
前記微粒子を除去する工程（Ｅ）
前記工程（Ａ）〜（Ｅ）において作製された各周期性構造物に対し、前記工程（Ｄ）で使用した材料とは異なる材料を部分的に充填および固定化し、周期性が崩された領域を形成する工程（Ｆ）
を有することを特徴とする光学素子の作製方法
【請求項８】
コロイド溶液を用いて、基板の表面に微粒子を周期的に配列させることにより周期性構造物を作製する工程（Ａ）
前記工程（Ａ）にて作製した周期性構造物の表面に、前記工程（Ａ）にて使用した微粒子とは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程（Ｂ）
前記工程（Ａ）および（Ｂ）と同様に、新たに作製された周期性構造物の表面に、それまでに配列に使用した微粒子とは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程を１回以上繰り返す工程（Ｃ）
前記工程（Ａ）〜（Ｃ）で作製された周期性構造物の微粒子間に、前記配列に用いた微粒子とは異なる材質の材料を充填し、それを固化もしくは固定化する工程（Ｄ）
前記微粒子を除去する工程（Ｅ）
前記工程（Ａ）〜（Ｅ）において作製された各周期性構造物に対し、前記工程（Ｄ）で使用した材料と同質の材料を部分的に充填および固定化し、周期性が崩された領域を形成する工程（Ｆ）
を有することを特徴とする光学素子の作製方法
【請求項９】
コロイド溶液を用いて、基板の表面に微粒子を周期的に配列させることにより周期性構造物を作製する工程（Ａ）
前記工程（Ａ）にて作製された周期性構造物の表面に、前記工程（Ａ）にて使用した微粒子とは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程（Ｂ）
前記工程（Ａ）および（Ｂ）と同様に、新たに作製された周期性構造物の表面に、それまでに配列に使用した微粒子とは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程を１回以上繰り返す工程（Ｃ）
前記工程（Ａ）〜（Ｃ）で作製された周期性構造物の微粒子の一部を除去する工程（Ｄ）
前記工程（Ａ）〜（Ｄ）で作製された周期性構造物の微粒子間に、配列に用いた微粒子とは異なる材質の材料を充填し、それを固化もしくは固定化する工程（Ｅ）
前記微粒子を除去する工程（Ｆ）
を有することを特徴とする光学素子の作製方法
【請求項１０】
請求項５〜９のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、
前記工程（Ａ）〜（Ｃ）におけるコロイド液は、シリカ微粒子、ポリスチレン微粒子もしくはポリメタクリル酸メチル微粒子を含むことを特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項１１】
請求項７〜９のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、
前記周期性構造物の微粒子間に、配列に用いた微粒子とは異なる材質の材料を充填し、それを固化もしくは固定化する工程は、微粒子間への充填材料として、光もしくは熱により重合するモノマーを用い、ポリマーとして固定化する工程であることを特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項１２】
請求項７〜９のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、
前記周期性構造物の微粒子間に、配列に用いた微粒子とは異なる材質の材料を充填し、それを固化もしくは固定化する工程は、微粒子間への充填材料として、ナノスケールのシリカ粒子もしくはチタニア粒子などを含む溶液を用い、それらの乾燥および加熱により、ナノスケールの粒子を固定化する工程であることを特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項１３】
請求項７〜９のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、
前記微粒子を除去する工程は、熱による微粒子の焼失である特徴とする光学素子の作製方法。
【請求項１４】
請求項７〜９のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、
前記微粒子を除去する工程は、液相における化学反応による除去であることを特徴とする光学素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子およびその製造方法に係り、特に、微粒子を周期的に配列させた微粒子周期構造体を利用した導波路、光共振器やレーザ、光スイッチなどのフォトニック結晶光学デバイスや、インバースオパール構造、およびその間隙に機能材料を充填させた光デバイスなどの光学素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニックバンドギャップにより結晶中に光を閉じ込めることが可能なフォトニック結晶は、光学デバイスに利用できる材料として期待され、研究開発が盛んになされている。
【０００３】
フォトニック結晶形成技術として、光学媒質（微粒子）の自己組織化を利用した方法がある。自己組織化を利用して配列された微粒子膜（周期構造体、フォトニック結晶）は、高品質、大表面積を可能にするものとして特に期待されている。
【０００４】
永山らは、特開平７−１１６５０２号公報（特許文献１）およびそれに対応する特許第２８２８３８６号公報（特許文献２）において、コロイド溶液を用いた「微粒子薄膜の製造方法」を報告している。
【０００５】
これは、液体の毛管力を利用し、溶媒の蒸発速度、微粒子の体積分率を制御することにより集積される結晶の高品質化を図ったものである。２枚の実質的に平行な面の間の狭い間隙にコロイド結晶を成長させる方法もピュージ、ピーター・ニカラスら（特許第２６９３８４４号公報「懸濁コロイド球」（特許文献３））をはじめとして報告されている。
【０００６】
その際に、２枚の基板のうちの下部基板に型を施し、この型を利用して、微粒子で形成される形状を制御するようにした技術が、Younan Xiaらによって提案されている（B. T. Mayers, et al., Advanded Materials, 12, No.21, pp.1629-1632, 2000.（非特許文献１）、S. H. Park, et al., Advanded Materials, 11, No.6, pp. 462-466, 1999.（非特許文献２）参照）。
【０００７】
使用する微粒子としては単分散の良いシリカやポリスチレンが用いられるのが一般的である。しかしながら、これらの物質ではデバイス材料としては屈折率が十分に高くなく所望の特性のデバイスを得ることができない。
【０００８】
屈折率のより高い微粒子膜を作製するために、上記の方法により作製された微粒子膜を利用してさらに改善した方法が報告されている。その方法とは、微粒子膜の微粒子間の空隙に光硬化性樹脂などのモノマーを流し込み、固体させた後、微粒子をエッチングにより取り除いて、ポリマーによる周期構造体（反転構造、逆オパール構造、インバース構造、あるいはテンプレートと呼ばれる）を得るインバースオパール法と呼ばれる方法である。
【０００９】
インバースオパール法については、V. L. Colvinらによって精力的に報告されている（P. Jiang, et al., J. Am. Chem. Soc., 121, pp. 11630-11637, 1999.（非特許文献３）、K. M. Kulinowski, et al., Advanded Materials, 12, No.11, pp.833-838, 2000.（非特許文献４）、特開２００３−２６８７号公報（特許文献４）参照）。
【００１０】
さらに、改善された方法も提案されている。それは、インバースオパール法において、最初に微粒子が存在していた空隙に屈折率のより高い材質を充填し、インバースオパール法によって得られた箇所（逆オパール構造）を取り除くようにしたものである。その結果、自己組織化によって最初に得られた周期構造とほぼ同等な周期構造体を材質が変わった形で得ることができる。
【００１１】
このような中空微粒子構造体に関するものとしては、V. L. Colvinグループ、デイビット・ノリスらによるP. Jiang, et al., Science, Vol.291, pp. 453-457, 2001.（非特許文献５）や特許第３１８３３４４号公報（特許文献５）がある。
【００１２】
微粒子が存在していた空隙に液晶分子を充填することも可能である。このような周期構造体においても最初に作製される微粒子膜が鋳型になるので、微粒子を欠陥なく配列させる技術を高めることは重要である。
【００１３】
光学素子として使用する場合には、例えば、導波路では周期構造体の中に例えば微粒子が存在しない空間が連続的に存在するなど、光路となる箇所が必要となる。
【００１４】
光路となる箇所の作製方法としては、Lee, et al.により提案されている（Adv. Mater.14, 271-274, 2003；非特許文献６参照）。
【００１５】
この文献で提案されている方法は、シリカ球による周期構造体の間隙にモノマーを流し込み、レーザを用いて特定の箇所のモノマーを選択的に硬化させるとともに、硬化していないモノマーを取り除いてシリコンを導入し、シリカ球とポリマーを選択的に取り除き、ポリマーが存在していた箇所を導波路とする方法である。
【００１６】
また、フォトニックバンドギャップを確実に開き、特定波長の光の閉じ込めを行う必要がある。そのためには、高屈折率箇所の体積分率が低い方がフォトニックバンドギャップは大きくなると考えられている。
【００１７】
そのため、インバース構造以上に高屈折率箇所の体積分率を低くする構造を形成する必要がある。一つには、中空粒子が規則配列したハロー構造である（例えば、上述したP. Jiang, et al., Science, Vol.291, pp. 453-457, 2001.（非特許文献５）参照）。
【００１８】
微粒子による周期性構造物を作製する際には、一度数層の膜を作製した後に、その基板を再度コロイド液に浸すことにより、作製された周期性構造物上にさらに新たな周期性構造物を作製することが可能である。この際にコロイド液の微粒子の材質や粒径を変えることによって最初に作製された周期性構造物とその上に作製された周期性構造物のフォトニックバンドギャップ波長を変えることができる。
【００１９】
フォトニック結晶や、逆オパール構造の空隙に、導電性高分子、フォトクロミック色素等を導入し、フォトニックバンドギャップ波長を変化させる試みも行われている。
【００２０】
また、微細加工を用いたフォトニック結晶では、線欠陥導波路を利用した欠陥エンジニアリングにより、大きさの異なる欠陥により、特定の波長の光を分波する報告がなされている（S. Noda, et al., Nature 407, pp 608, 2000（非特許文献７）参照）。微細加工による作製では、装置に加工精度が求められるほか、作製に多大なエネルギーを要するため、代替となる簡易な作製方法を提案することが必要となる。なお、フォトニック結晶に関しては、K. Yoshino, et al., Jpn. J. Appl. Phys., vol.38, ppL786-788, 1999（非特許文献８）、Y. Shimoda, et al., Appl. Phys. Lett., vol.79, pp.3627-3629, 2001（非特許文献９）も参照されたい。
【００２１】
【特許文献１】特開平７−１１６５０２号公報
【特許文献２】特許第２８２８３８６号公報
【特許文献３】特許第２６９３８４４号公報
【特許文献４】特開２００３−２６８７号公報
【特許文献５】特許第３１８３３４４号公報
【非特許文献１】B. T. Mayers, et al., Advanded Materials, 12, No.21, pp.1629-1632, 2000.
【非特許文献２】S. H. Park, et al., Advanded Materials, 11, No.6, pp. 462-466, 1999.
【非特許文献３】P. Jiang, et al., J. Am. Chem. Soc., 121, pp. 11630-11637, 1999.
【非特許文献４】K. M. Kulinowski, et al., Advanded Materials, 12, No.11, pp.833-838, 2000.
【非特許文献５】P. Jiang, et al., Science, Vol.291, pp. 453-457, 2001.
【非特許文献６】Lee, et al.Adv. Mater.14, 271-274, 2003
【非特許文献７】S. Noda, et al., Nature 407, pp 608, 2000.
【非特許文献８】K. Yoshino, et al., Jpn. J. Appl. Phys., vol.38, ppL786-788, 1999.
【非特許文献９】Y. Shimoda, et al., Appl. Phys. Lett., vol.79, pp.3627-3629, 2001.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、上記事情に鑑み、光学的な周期の異なる箇所を含む周期性構造物を複数有する光学素子およびその作製方法を提供することを目的とするものであり、例えば複数の波長の光に対する共振器を複数備えた光学素子やその簡易な作製方法を提供することを目的としている。以下、請求項毎の目的を述べる。
【００２３】
ａ）請求項１の目的
請求項１〜４に係る本発明の目的は、複数の波長の光に対する共振器を複数備えた光学素子を提供することである。
【００２４】
ｂ）請求項５の目的
請求項５に係る本発明の目的は、微粒子の周期性構造物を用いて、複数の波長の光に対する共振器を備えた光学素子の簡易な作製方法を提供することである。
【００２５】
ｃ）請求項６の目的
請求項６に係る本発明の目的は、請求項５に記載の目的と同じである。
【００２６】
ｄ）請求項７の目的
請求項７に係る本発明の目的は、微粒子の反転構造を用いて、複数の波長の光に対する共振器を備えた光学素子の簡易な作製方法を提供することである。
【００２７】
ｅ）請求項８の目的
請求項８に係る本発明の目的は、請求項７に記載の目的と同じである。
【００２８】
ｆ）請求項９の目的
請求項９に係る本発明の目的は、請求項７に記載の目的と同じである。
【００２９】
ｇ）請求項１０の目的
請求項１０に係る本発明の目的は、単分散性の良い微粒子を用いることにより周期性構造物の欠陥数を低減することである。
【００３０】
ｈ）請求項１１の目的
請求項１１に係る本発明の目的は、ポリマーを用いて簡易に反転構造を得ることである。
【００３１】
ｉ）請求項１２の目的
請求項１２に係る本発明の目的は、ナノスケールの粒子を用いて簡易に反転構造を得ることである。
【００３２】
ｊ）請求項１３の目的
請求項１３に係る本発明の目的は、微粒子としてポリマー微粒子を用いた場合には熱によって除去することにより、反転構造を作製することである。
【００３３】
ｋ）請求項１４の目的
請求項１４に係る本発明の目的は、簡易に反転構造を作製することである。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明は、上記目的を達成するために次の如き構成を採用した。
ａ）請求項１記載の発明は、球状物質の周期構造、もしくはその反転構造によりフォトニックバンドギャップを形成するフォトニック結晶を用いた光学素子であって、周期長の異なる周期構造体を基板に対して平行に複数有し、該周期構造体の各々はその内部に周期性が崩された領域を含むことを特徴とし、請求項２記載の発明は、前記周期性が崩された領域は、空隙あるいは周囲の周期構造とは異なる周期構造を有する領域であることを特徴としている。請求項３および４記載の発明は、このような光学素子を用いて光導波路および光学レーザー素子を実現している。
【００３５】
ｂ）請求項５記載の発明は、コロイド溶液を用いて、基板の表面に微粒子を周期的に配列させることにより周期性構造物を作製する工程（Ａ）、工程（Ａ）にて作製した周期性構造物の表面に、前記工程（Ａ）にて使用した微粒子とは材質もしくは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程（Ｂ）、以下、前記工程（Ａ）および（Ｂ）と同様に、新たに作製された周期性構造物の表面に、それまでに配列に使用した微粒子とは材質もしくは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程を１回以上繰り返す工程（Ｃ）、前記工程（Ａ）〜（Ｃ）において作製された各周期性構造物に対し、部分的に材料を充填および固定化し、周期性が崩された領域を形成する工程（Ｄ）を有することを特徴とする光学素子の作製方法である。
【００３６】
ｃ）請求項６記載の発明は、コロイド溶液を用いて、基板の表面に微粒子を周期的に配列させることにより周期性構造物を作製する工程（Ａ）、工程（Ａ）にて作製された周期性構造物の表面に、前記工程（Ａ）にて使用した微粒子とは材質もしくは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程（Ｂ）、以下、前記工程（Ａ）および（Ｂ）と同様に、新たに作製された周期性構造物の表面に、それまでに配列に使用した微粒子とは材質もしくは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程を１回以上繰り返す工程（Ｃ）、前記工程（Ａ）〜（Ｃ）において作製された各周期性構造物に対し、部分的に微粒子を除去し、周期性が崩された領域を形成する工程（Ｄ）を有することを特徴とする光学素子の作製方法である。
【００３７】
ｄ）請求項７記載の発明は、コロイド溶液を用いて、基板の表面に微粒子を周期的に配列させることにより周期性構造物を作製する工程（Ａ）、工程（Ａ）にて作製した周期性構造物の表面に、前記工程（Ａ）にて使用した微粒子とは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程（Ｂ）、以下、前記工程（Ａ）および（Ｂ）と同様に、新たに作製された周期性構造物の表面に、それまでに配列に使用した微粒子とは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程を１回以上繰り返す工程（Ｃ）、前記工程（Ａ）〜（Ｃ）で作製された周期性構造物の微粒子間に、配列に用いた微粒子とは異なる材質の材料を充填し、それを固化もしくは固定化する工程（Ｄ）、前記微粒子を除去する工程（Ｅ）、前記工程（Ａ）〜（Ｅ）において作製された各周期性構造物に対し、前記工程（Ｄ）で使用した材料とは異なる材料を部分的に充填および固定化し、周期性が崩された領域を形成する工程（Ｆ）を有することを特徴とする光学素子の作製方法である。
【００３８】
ｅ）請求項８記載の発明は、コロイド溶液を用いて、基板の表面に微粒子を周期的に配列させることにより周期性構造物を作製する工程（Ａ）、工程（Ａ）にて作製した周期性構造物の表面に、前記工程（Ａ）にて使用した微粒子とは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程（Ｂ）、前記工程（Ａ）および（Ｂ）と同様に、新たに作製された周期性構造物の表面に、それまでに配列に使用した微粒子とは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程を１回以上繰り返す工程（Ｃ）、前記工程（Ａ）〜（Ｃ）で作製された周期性構造物の微粒子間に、前記配列に用いた微粒子とは異なる材質の材料を充填し、それを固化もしくは固定化する工程（Ｄ）、前記微粒子を除去する工程（Ｅ）、前記工程（Ａ）〜（Ｅ）において作製された各周期性構造物に対し、前記工程（Ｄ）で使用した材料と同質の材料を部分的に充填および固定化し、周期性が崩された領域を形成する工程（Ｆ）を有することを特徴とする光学素子の作製方法である。
【００３９】
ｆ）請求項９記載の発明は、コロイド溶液を用いて、基板の表面に微粒子を周期的に配列させることにより周期性構造物を作製する工程（Ａ）、工程（Ａ）にて作製された周期性構造物の表面に、前記工程（Ａ）にて使用した微粒子とは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程（Ｂ）、前記工程（Ａ）および（Ｂ）と同様に、新たに作製された周期性構造物の表面に、それまでに配列に使用した微粒子とは粒子径が異なる微粒子を周期的に配列させる工程を１回以上繰り返す工程（Ｃ）、前記工程（Ａ）〜（Ｃ）で作製された周期性構造物の微粒子の一部を除去する工程（Ｄ）、前記工程（Ａ）〜（Ｄ）で作製された周期性構造物の微粒子間に、配列に用いた微粒子とは異なる材質の材料を充填し、それを固化もしくは固定化する工程（Ｅ）、前記微粒子を除去する工程（Ｆ）を有することを特徴とする光学素子の作製方法である。
【００４０】
ｇ）請求項１０記載の発明は、請求項５〜９のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、前記工程（Ａ）〜（Ｃ）におけるコロイド液は、シリカ微粒子、ポリスチレン微粒子もしくはポリメタクリル酸メチル微粒子を含むことを特徴としている。
【００４１】
ｈ）請求項１１記載の発明は、請求項７〜９のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、前記周期性構造物の微粒子間に、配列に用いた微粒子とは異なる材質の材料を充填し、それを固化もしくは固定化する工程は、微粒子間への充填材料として、光もしくは熱により重合するモノマーを用い、ポリマーとして固定化する工程であることを特徴としている。
【００４２】
ｉ）請求項１２記載の発明は、請求項７〜９のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、前記周期性構造物の微粒子間に、配列に用いた微粒子とは異なる材質の材料を充填し、それを固化もしくは固定化する工程は、微粒子間への充填材料として、ナノスケールのシリカ粒子もしくはチタニア粒子などを含む溶液を用い、それらの乾燥および加熱により、ナノスケールの粒子を固定化する工程であることを特徴としている。
【００４３】
ｊ）請求項１３記載の発明は、請求項７〜９のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、前記微粒子を除去する工程は、熱による微粒子の焼失である特徴としている。
【００４４】
ｋ）請求項１４記載の発明は、請求項７〜９のいずれかに記載の光学素子の作製方法において、前記微粒子を除去する工程は、液相における化学反応による除去であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００４５】
以下、発明の効果を請求項毎に述べる。
ａ）請求項１〜４記載の発明の効果
請求項１および２に係る光学素子では、光学的な周期が異なる箇所を含む周期性構造物を複数持つ素子により、複数の波長の光を閉じ込めるという効果を奏し、請求項３では複数波長を用いる導波路を実現でき、請求項４では複数波長のレーザーを発する光共振器を実現できる。
【００４６】
ｂ）請求項５記載の発明の効果
請求項５に係る光学素子の作製方法では、請求項１に記載の光学素子の簡易な作製方法を提供するという効果を奏する。
【００４７】
ｃ）請求項６記載の発明の効果
請求項６に係る光学素子の作製方法では、請求項１に記載の光学素子の簡易な作製方法を提供するという効果を奏する。
【００４８】
ｄ）請求項７記載の発明の効果
請求項７に係る光学素子の作製方法では、空隙による反転周期構造の簡易な作製方法を提供するという効果を奏する。
【００４９】
ｅ）請求項８記載の発明の効果
請求項８に係る光学素子の作製方法では、空隙による反転周期構造の簡易な作製方法を提供するという効果を奏する。
【００５０】
ｆ）請求項９記載の発明の効果
請求項９に係る光学素子の作製方法では、空隙による反転周期構造の簡易な作製方法を提供するという効果を奏する。
【００５１】
ｇ）請求項１０記載の発明の効果
請求項１０に係る光学素子の作製方法では、単分散性の良い微粒子を用いて周期構造の規則性を良くするという効果を奏する。
【００５２】
ｈ）請求項１１記載の発明の効果
請求項１１に係る光学素子の作製方法では、重合を用いることにより簡易に反転構造を作製するという効果を奏する。
【００５３】
ｉ）請求項１２記載の発明の効果
請求項１２に係る光学素子の作製方法では、ナノスケールの粒子を用いることにより簡易に反転構造を作製するという効果を奏する。
【００５４】
ｊ）請求項１３記載の発明の効果
請求項１３に係る光学素子の作製方法では、ポリマー微粒子の熱焼失を利用することにより簡易に反転構造を作製するという効果を奏する。
【００５５】
ｋ）請求項１４記載の発明の効果
請求項１４に係る光学素子の作製方法では、液相における化学反応を利用することにより簡易に反転構造を得るという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。なお、各実施例の説明中、類似の構成を有する場合は共通の図面を用いて説明する。但し、基板材料、粒子材料、粒子径などは各実施例で異なる。
【００５７】
まず最初に、本願の各実施例と請求項との対応関係を説明しておく。実施例１では、請求項１〜４、５、１０に係る発明を説明する。実施例２では、請求項１〜４、７、１０、１２、１３に係る発明を説明する。実施例３では、請求項１〜４、８、１１、１４に係る発明を説明する。実施例４では、請求項１〜４、９、１０に係る発明を説明する。実施例５では、請求項１〜４、６、１０に係る発明を説明する。
【００５８】
＜実施例１＞
図１および図２は、実施例１により作製した光学素子の模式図である。
図２は、図１の部分的な拡大図である。図では、粒子径、層数などは実際に作製した構造物とは異なるが、簡単に模式的に示している。
【００５９】
図１および図２に示す光学素子は、基板１上に順に３種類の周期性構造物２，３，４が形成されている。
【００６０】
基板１の真上に形成されているのは、粒径３４０ｎｍのシリカ粒子からなり、層数約２０層からなる周期性構造物２である。
【００６１】
さらに、その上に粒径３２０ｎｍのシリカ粒子からなり、層数約２０層からなる周期性構造物３が形成されている。
【００６２】
また、さらにその上に粒径３００ｎｍのシリカ粒子からなり、層数約２０層からなる周期性構造物４が形成されている。
【００６３】
いずれの周期性構造物２〜４にも、図２に示すように内部にシリカ粒子間が光硬化型樹脂で充填された領域５（厚み２μm程度、微粒子１０層程度に相当）が存在する。このような素子は粒子径に対応した波長の光を光硬化型樹脂からなる共振器部で閉じ込める機能を果たす。
【００６４】
以下、図１、２の光学素子の作製方法を、図３を用いて説明する。
まず、数ｃｍ角の石英基板６と、直径３４０ｎｍ、粒度分布の標準偏差が３％以内のシリカ微粒子分散水溶液（０.５ｗｔ％、１００ｍｌ）７を用意した。１枚の石英基板６を、図３に示すように水面が垂直になるように溶液に浸し、石英基板６の上部を固定した。
【００６５】
１週間程度そのまま放置し、溶液内の溶媒を乾燥させた。その後、石英基板６を取り出し、十分乾燥させた。この際に、石英基板６には自己組織化によりシリカ微粒子による周期性構造物８が形成された。
【００６６】
このようにして形成された石英基板６上の周期性構造物（微粒子膜）８の硬度を高めるために６００℃にて１時間の加熱を行った。この周期性構造物８が図１，２における周期性構造物２に相当する。
【００６７】
その後、周期性構造物２が形成された石英基板６を、再度、直径３２０ｎｍ、粒度分布の標準偏差が３％以内のシリカ微粒子分散水溶液（０.５ｗｔ％、１００ｍｌ）中に浸し、上記と同様の方法により、粒径３４０ｎｍのシリカによる周期性構造物２の表面に粒径３２０ｎｍのシリカによる周期性構造物３を作製した。さらに同様に、粒径３２０ｎｍのシリカによる周期性構造物３の表面に粒径３００ｎｍのシリカによる周期性構造物４を作製した。
【００６８】
その後、作製した周期性構造物２〜４のシリカ微粒子間に光硬化型樹脂を流しこみ、３種類の周期性構造物２〜４の各々に対して、共焦点レーザーを用いて、図１，２の領域５に選択的に光を照射し、光硬化型樹脂を硬化させた。その後、硬化していない領域５以外の部分の光硬化型樹脂を除去した。
【００６９】
図１、２に示す光学素子は、コロイド溶液の毛管力、微粒子の自己組織化を利用して光学距離が異なる３種類の周期性構造物（微粒子膜）２〜４を作製したものである。３種類の各周期性構造物２〜４において周期が異なることにより、波長が異なる光を閉じ込めることが可能である。
【００７０】
このような３次元周期構造は、微細加工による作製では困難であり、光の閉じ込めの効果は高い。本実施例のように、微粒子が自己組織的に配列する現象を利用したボトムアップ手法は、エッチング装置などを用いて材料を加工するトップダウン手法と比較して、材料の無駄がなく、プロセスとしても容易であるため、省資源・省エネルギーであり、環境面でも優れている。
【００７１】
従来では導波路などのフォトニック結晶は微細加工を施す方法でしか作製できず、環境面で問題があった。しかしながら、本発明により、環境面に優れかつある程度複雑な構造をもつフォトニック結晶を作製できるようになった。
【００７２】
＜実施例２＞
図４および図５は、実施例２により作製した光学素子の模式図である。
図５は、図４の部分的な拡大図である。図では、粒子径、層数などは実際に作製した構造物とは異なるが、簡単に模式的に示している。
【００７３】
図４に示す光学素子は基板９上に３種類の周期性構造物１０，１１，１２が形成されている。基板９の真上に形成されているのは、球形の大きさ５００ｎｍの空隙からなり、層数約１０層からなる周期性構造物１０である。
【００７４】
さらにその上に、球形の大きさ４００ｎｍの空隙からなり、層数約１０層からなる周期性構造物１１が形成されている。また、さらにその上に球形の大きさ３００ｎｍの空隙からなり、層数約１０層からなる周期性構造物１２が形成されている。
【００７５】
いずれの周期性構造物１０〜１２も空隙を形成するのはシリカナノ粒子の固形物であるが、図５に示すように一部光硬化型樹脂が充填された領域１３が存在する。
【００７６】
空隙を埋めた光硬化型樹脂の粒径は基板９に近い周期性構造物から順に粒径５００ｎｍ、４００ｎｍ、３００ｎｍである。空隙とならず光硬化型樹脂が存在する領域１３は、空隙による周期構造とは光学的距離が異なる。したがって、このような素子は粒子径に対応した波長の光を光硬化型樹脂が存在するシリカナノ粒子の固形物からなる共振器部で閉じ込める機能を果たす。
【００７７】
以下、図３を用いて、図４、図５の光学素子の作製方法を説明する。
まず、数ｃｍ角の石英基板６と、直径５００ｎｍ、粒度分布の標準偏差が３％以内のポリスチレン微粒子分散水溶液（０.５ｗｔ％、１００ｍｌ）を用意した。
【００７８】
１枚の石英基板６を、図３に示すように水面が垂直になるように溶液に浸し、石英基板６の上部を固定した。１週間程度そのまま放置し、溶液内の溶媒を乾燥させた。その後、石英基板６を取り出し、十分乾燥させた。この際に、石英基板６上には自己組織化によりポリスチレン微粒子による周期性構造物８が形成された。この周期性構造物８が図１，２における周期性構造物２に相当する。
【００７９】
その後、周期性構造物２が形成された石英基板６を、直径４００ｎｍ、粒度分布の標準偏差が３％以内のポリスチレン微粒子分散水溶液（０.５ｗｔ％、１００ｍｌ）中に浸し、上記と同様の方法により、粒径５００ｎｍのポリスチレンによる周期性構造物表面に粒径４００ｎｍのポリスチレンによる周期性構造物を作製し、充分乾燥させた。さらに同様に粒径４００ｎｍのポリスチレンによる周期性構造物表面に粒径３００ｎｍのポリスチレンによる周期性構造物を作製した。
【００８０】
その後、作製した周期性構造物の微粒子間に粒径３〜６ｎｍ程度のシリカナノ粒子を含む水溶液を流しこみ、乾燥させた。その後、５００℃５時間の加熱を加え、ポリスチレンを熱により焼失させるとともに、シリカナノ粒子を固定し、空隙による周期性構造物を作製した。
【００８１】
その後、空隙内に光硬化型樹脂を流し込み、３種類の周期性構造物１０〜１２の各々に対して、共焦点レーザーを用いて領域１３に選択的に光を照射し、光硬化型樹脂を硬化させた。その後、硬化していない領域１３以外の部分の光硬化性樹脂を除去した。
【００８２】
図４、５に示す光学素子は、コロイド溶液の毛管力、微粒子の自己組織化を利用して光学距離が異なる３種類の周期性構造物（微粒子膜）１０〜１２を作製したものである。３種類の各周期性構造物１０〜１２において周期が異なることにより、波長が異なる光を閉じ込めることが可能である。
【００８３】
微細加工による作製では困難な３次元周期構造であり、光の閉じ込めの効果は高い。微粒子が自己組織的に配列する現象を利用したボトムアップ手法では、エッチング装置などを用いて材料を加工するトップダウン手法と比較して、材料の無駄がなく、プロセスとしても容易であるため、省資源・省エネルギーであり、環境面でも優れている。従来では導波路などのフォトニック結晶は微細加工を施す方法でしか作製できず、環境面で問題があった。しかしながら、本発明により、環境面に優れかつある程度複雑な構造をもつフォトニック結晶を作製できるようになった。
【００８４】
＜実施例３＞
図４および図５は、本実施例により作製した光学素子の模式図である。図５は、図４の部分的な拡大図である。図では、粒子径、層数などは実際に作製した構造物とは異なるが、簡単に模式的に示している。図４に示す光学素子は基板９上に３種類の周期性構造物１０，１１，１２が順に形成されている。
【００８５】
基板９の真上に形成されているのは、球形の大きさ３４０ｎｍの空隙からなり、層数約２０層からなる周期性構造物１である。さらにその上に球形の大きさ３２０ｎｍの空隙からなり、層数約２０層からなる周期性構造物２が形成されている。また、さらにその上に球形の大きさ３００ｎｍの空隙からなり、層数約２０層からなる周期性構造物３が形成されている。
【００８６】
いずれの周期性構造物も空隙を形成するのは光硬化型樹脂であり、空隙とならず、その内部も光硬化型樹脂が充填された箇所が存在する。空隙を埋めた光硬化型樹脂の粒径は基板９に近い周期性構造物から順に粒径３４０ｎｍ、３２０ｎｍ、３００ｎｍである。
【００８７】
空隙とならず内部まで光硬化型樹脂が充填された箇所は空隙による周期構造とは光学的距離が異なる。したがって、このような素子は粒子径に対応した波長の光を空隙内部まで光硬化型樹脂で埋められた箇所からなる共振器部で閉じ込める機能を果たす。
【００８８】
以下、図３を用いて、図４、図５の光学素子の作製方法を説明する。
まず、数ｃｍ角の石英基板６と、直径３４０ｎｍ、粒度分布の標準偏差が３％以内のシリカ微粒子分散水溶液（０.５ｗｔ％、１００ｍｌ）７を用意した。
【００８９】
１枚の石英基板６を、図３に示すように水面が垂直になるように溶液に浸し、石英基板６の上部を固定した。１週間程度そのまま放置し、溶液内の溶媒を乾燥させた。その後、石英基板６を取り出し、十分乾燥させた。この際に、石英基板間には自己組織化によりシリカ微粒子による周期性構造物８が形成された。
【００９０】
このようにして形成された石英基板６上の周期性構造物（微粒子膜）８の硬度を高めるために６００℃にて１時間の加熱を行った。この周期性構造物８が図４，５における周期性構造物１０に相当する。
【００９１】
その後、周期性構造物１０が形成された石英基板９を、再度、直径３２０ｎｍ、粒度分布の標準偏差が３％以内のシリカ微粒子分散水溶液（０.５ｗｔ％、１００ｍｌ）中に浸し、上記と同様の方法により、粒径３４０ｎｍのシリカによる周期性構造物１０の表面に粒径３２０ｎｍのシリカによる周期性構造物１１を作製した。さらに同様に粒径３２０ｎｍのシリカによる周期性構造物１１の表面に粒径３００ｎｍのシリカによる周期性構造物１２を作製した。
【００９２】
その後、作製した周期性構造物１０〜１２の微粒子間に光硬化型樹脂を流しこみ、紫外線により硬化させた。その後、フッ酸を用いてシリカをエッチング除去した。
【００９３】
空隙からなる周期性構造物を得た後、再度基板９上に配置し、空隙の内部に再度、光硬化型樹脂を充填し、共焦点レーザーを用いて領域１３を選択的に光硬化させたのち、硬化していない領域１３以外の部分の空隙の光硬化型樹脂を除去した。
【００９４】
＜実施例４＞
図６は、本実施例により作製した光学素子の模式図である。
図では、粒子径、層数などは実際に作製した構造物とは異なるが、簡単に模式的に示している。図では、粒子径、層数などは実際に作製した構造物とは異なるが、簡単に模式的に示している。
【００９５】
図６に示す光学素子は、基板９上に２種類の周期性構造物１４，１５が形成されている。基板９の真上に形成されているのは、球形の大きさ３２０ｎｍの空隙からなり、層数約２０層からなる第一の周期性構造物１４である。
【００９６】
さらにその上に球形の大きさ３００ｎｍの空隙からなり、層数約２０層からなる第二の周期性構造物１５が形成されている。いずれの周期性構造物も反転構造はナノスケールのシリカ粒子の固形物からなる。
【００９７】
空隙を埋めた光硬化型樹脂の粒径は、基板９に近い周期性構造物から順に粒径３２０ｎｍ、３００ｎｍである。また、第一の周期性構造物１４、および第二の周期性構造物１５の上部には一部、周期構造が存在しない領域１６が存在する。そのような領域は周期構造を持たないため、特定波長の光が閉じ込められる。
【００９８】
以下、図６の光学素子の作製方法を、図３を用いて説明する。
まず、数ｃｍ角の石英基板６と、直径３２０ｎｍ、粒度分布の標準偏差が３％以内のポリスチレン微粒子分散水溶液（０.５ｗｔ％、１００ｍｌ）７を用意した。
【００９９】
１枚の石英基板６を、図３に示すように水面が垂直になるように溶液に浸し、石英基板６の上部を固定した。１週間程度そのまま放置し、溶液内の溶媒を乾燥させた。その後、石英基板６を取り出し、十分乾燥させた。この際に、石英基板間には自己組織化によりポリスチレン微粒子による周期性構造物８が形成された。この周期性構造物８が図６における周期性構造物１４に相当する。
【０１００】
その後、周期性構造物１４が形成された石英基板６を、再度、直径３００ｎｍ、粒度分布の標準偏差が３％以内のポリスチレン微粒子分散水溶液（０.５ｗｔ％、１００ｍｌ）中に浸し、上記と同様の方法により、粒径３２０ｎｍのポリスチレンによる周期性構造物１４の表面に粒径３００ｎｍのポリスチレンによる周期性構造物１５を作製した。
【０１０１】
その後、作製した第一の周期性構造物１４および第二の周期性構造物１５の、上部に位置する微粒子数層の一部をフェムト秒レーザーを用いて除去して欠陥のある領域１６を形成した。
【０１０２】
その後、微粒子間にナノスケールからなるシリカ粒子を流しこみ、５００℃で５時間の加熱を行った。ポリスチレンを焼失させることにより空隙からなる周期性構造物を得た。フェムト秒レーザーを用いて微粒子を除去した領域１６は欠陥となるため、特定の波長の光を閉じ込めることができる。
【０１０３】
＜実施例５＞
図７は、本実施例により作製した光学素子の模式図である。
図では、粒子径、層数などは実際に作製した構造物とは異なるが、簡単に模式的に示している。
【０１０４】
本実施例の光学素子は、前述した実施例と同様にして粒径の異なるポリスチレン微粒子からなる第一および第二の周期性構造物２，３を形成し、その上面にポリスチレン微粒子が存在しない欠陥領域１７をフェムト秒レーザーなどで形成したものである。
【０１０５】
以上、本発明を説明するために実施例１〜５を説明してきたが、本発明はこれらの実施例にとどまることなく、様々な応用が可能なことは言うまでもない。
【０１０６】
例えば、本発明における微粒子の種類は、実施例で示したシリカ、ポリエチレンのほかに、例えば酸化ジルコニウムなどを用いてよい。
【０１０７】
また、微粒子径は通常数ｎｍから数百ｎｍのものが市販されているが、これらに限定されるものではない。
【０１０８】
また、周期構造物を作製するために使用する微粒子径を変更することによって、閉じ込める光の波長を選択することができる。
【０１０９】
また、周期性構造物の作製方法は、例えば、（イ）基板を水平に設置する、（ロ）基板に加工を施すなど、他の作製方法による周期性構造物であってもよい。
【０１１０】
また、周期性構造物は２枚の基板間に作製して、一方の基板を取り外す方法を採用しても、図３のように、最初から１枚の基板表面に作製する方法のいずれでもよい。
【０１１１】
また、作製される周期性構造物、使用する基板等の大きさ等は限定されず、また材質も請求項を満たす範囲で限定されない。
【０１１２】
さらに、周期性構造物作製時における溶液濃度、温度なども実施例の値に限定されない。
【０１１３】
また、本発明のように、微粒子が自己組織的に配列する現象を利用したボトムアップ手法は、エッチング装置などを用いて材料を加工するトップダウン手法と比較して、材料の無駄がなく、プロセスとしても容易であるため、省資源・省エネルギーであり、環境面でも非常に優れている。
【０１１４】
また、トップダウン方式では、真空装置は真空ポンプ、ヒータなども用いるので電力を大量に長時間使用する上、材料が無駄になるが、本発明のようなボトムアップ手法によると、基板を微粒子分散液に浸すことにより微粒子が集積し、周期性構造物が形成されるので、作製に要するエネルギーが格段に小さく、プロセスそのものも省エネルギーになる。また作製プロセスに用いる溶媒なども回収が容易で、省資源かつ環境に優しいという効果もある。
【０１１５】
上記実施例においては、周期性構造物内に周期性の崩れた領域を設けることによって、その領域に特定波長の光を閉じ込めることを可能にしているが、その際、周期性の崩れた領域を周期性構造物の内部に閉じ込めると光レーザー用の光共振器などとして機能し、周期性の崩れた領域を周期性構造物の一方の端部から他方の端部に繋がるようにすると光導波路として機能することはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】実施例１にて作製された光学素子の正面図である。
【図２】実施例１にて作製された光学素子の正面拡大図である。
【図３】微粒子による周期性構造物の作製方法概略図である。
【図４】実施例２および実施例３にて作製された正面図である。
【図５】実施例２および実施例３にて作製された光学素子の正面拡大図である。
【図６】実施例４にて作製された光学素子の正面図である。
【図７】実施例５にて作製された光学素子の正面図である。
【符号の説明】
【０１１７】
１：基板
２：第一の周期性構造物
３：第二の周期性構造物
４：第三の周期性構造物
５：微粒子間が他材料により埋められた領域、
６：基板
７：微粒子を含むコロイド液
８：基板上に形成された微粒子による周期性構造物
９：基板
１０：空隙による第一の周期性構造物
１１：空隙による第二の周期性構造物
１２：空隙による第三の周期性構造物
１３：空隙内が他材料により充填された領域
１４：空隙による第一の周期性構造物
１５：空隙による第二の周期性構造物
１６：欠陥領域
１７：空隙欠陥領域
【図１】
2005326596.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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